دانلود متن کامل فایل های تحقیق – مقاله -پروژه-پایان نامه

بنابراین مقدار میانگین تابع صفر خواهد بود و این به معنی آن است که تابه موجک بایستی تابعی نوسانی باشد.
ب) نظم یا قاعده
این شرط ایجاب میکند که موجک مادر بصورت موضعی نرم و متمرکز (هم در زمان و هم در بسامد) باشد. این شرط مفهوم جدیدی را مطرح میسازد و آن صفر بودن گشتاور است. هر گاه تابع موج ، M بار مشتق پذیر باشد در آن صورت :
پارامتر مقیاس در تبدیل موجک همان مفهوم مقیاس در نقشهها را دارد. بسامدهای کم اطلاعات کلی از سیگنال گرفته میشود و در بسامد زیاد ، اطلاعات جزئی سیگنال مورد بررسی قرار میگیرد. مقیاسبند یک ابزار ریاضی است که در اینجا منظور از آن همان باز شدن و یا فشرده شدن و جک در زمان است [18،21].
انجام تبدیل موجک پیوسته را میتوان در پنج مرحله زیر خلاصه کرد:
Widget not in any sidebars

1 – موجک مورد نظر را انتخاب و آن را با یک بخش در شروع سیگنال مقایسه میکنیم.
2 – میزان شباهت موجک را با این بخش از سیگنال محاسبه میکنیم ، C ≡ ، هر چقدر عدد بزرگتر باشد، تشابه بیشتر است (شکل 3-7).

شکل3-7 مرحله دوم تبدیل موجک پیوسته[18].
3 – موجک را به سمت راست حرکت میدهیم و مراحل 1 و 2 را تکرار میکنیم تا کل سیگنال پوشش داده شود (شکل 3-8).

شکل 3-8 مرحله سوم تبدیل موجک پیوسته[18].
4 – مقیاس موجک را تغییر داده و مراحل 1 تا 3 تکرار میکنیم (شکل 3-9).

شکل3-9 مرحله چهارم تبدیل موجک پیوسته[18].
5 – مراحل 1 تا 4 را برای تمام مقیاسها تکرار میکنیم.
3-2-2 تبدیل موجک گسستهDWT
تبدیل موجک گسسته سیگنال ورودی را با استفادهی مولفههای فرکانس از یک سری فیلترهای عبوری بالا گذر و پائین گذر تجزیه میکند تجزیه صورت گرفته به این نحو است که براساس مقیاس دو تایی و تبدیل میباشد. یعنی سیگنال دریافتی را ابتدا به دو قسمت تقریبات و جزئیات تبدیل میکند و سپس قسمت مربوط به تقریب را دوباره به همین نحو تجزیه میکند تا در آخر به حالتی برسد که کمترین مقدار فرکانس خود را داشته باشد چون در این حالت مقیاس این سیگنال در بیشترین حالت خود قرار دارد. در تبدیل موجک گسسته ، دو دسته تابع مد نظرند :
1 – توابع مرتبط با مقیاس
2 – توابع مرتبط با موجک مادرکه به ترتیب مربوط به صافیهای پایین گذر و بالاگذر هستند.

که در آنها به ترتیب [k]lowY، [k] higt Y خروجیهای صافی پایین گذر و بالاگذرند تبدیل موجک در واقع یک نوع تبدیل فوریهی زمان کوتاه با طول پنجرهی متغیر است ، بطوری که دارای قدرت تفکیک بهتری نسبت به تبدیل فوریهی زمان کوتاه است و مشکل تبدیل فوریهی زمان کوتاه را هم ندارد در شکل 3-4 نمایشی از قدرت تفکیک زمان و بسامد در حالتهای نمایش زمانی ، بسامدی، فوریهی زمان کوتاه و تبدیل موجک آورده شده است.

شکل 3-10 نمایشی از قدرت تفکیک زمان و بسامد.
الف) نمایش سیگنال در حوزه زمان ، هیچگونه تفکیک بسامدی نمیتوان داشت. ب) حوزه فوریه، دقت تفکیک زمانی صفر است. ج) نمایش سیگنال با استفاده از تبدیل فوریهی زمان کوتاه، آنالیز زمان و بسامد سیگنال را داریم ولی دقت تفکیک زمان و بسامد در همهی بازههای در نظر گرفته شده یکسان است. د) در حیطهی موجک ، متناسب با تغییرات بسامد بازه زمانی (یا مقیاس) نیز تغییر میکند یعنی در بسامدهای بالا طول بازه کوچکتر و در بسامدهای کم طول آن بزرگتر است[21].

فصل چهارم

شکل 3-4 نحوه عمل در تبدیل موجک
Widget not in any sidebars

در شکل بالا آن موجی که بیشترین مقیاس را دارد یعنی مشابهترین موج به سیگنال اصلی که حاوی بیشترین اطلاعات سیگنال است ، کمترین فرکانس را دارد و به عکس.
همانطور که در شکل مشاهده میشود، در فرکانسهای بالا زولوشن زمانی (طول هر یک از مستطیلها) بالا و رزولوشن فرکانسی (طول هر یک از مستطیلها) پایین و در فرکانسهای پایین، رزولوشن فرکانسی بالا و رزولوشن زمانی پایین دارد [21].

a : پارامتر مقیاس (بزرگنمایی موج) b : پارامتر انتقال یا شیفت
a1 < a2 , b1 < b2 فرکانس >فرکانس
3-3 مقیاسگذاری
آنالیز موجک دید زمان مقیاس از سیگنال ارائه میدهد. مقیاس گذاری موجک بطور ساده به مفهوم کشیدن یا فشردن کردن آن است که همان مفهوم scale factor است که با حرف a مشخص میشود. شکل 3-5 اثر scale factor را بر روی یک موجک نشان میدهد.

شکل3-5 اثرscale factor بر روی یک موجک[18].
3-4 انتقال
انتقال موجک به مفهوم به تاخیر انداختن یا تسریع نقطه شروع آن است. تاخیر تابع f (t) باندازه k با f (t − k) نمایش داده میشود. این مفهوم در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل3-6 انتقال یک موجک[18].
3-2-1 تبدیل موجک پیوسته CWT
رابطهی تبدیل موجک پیوسته بصورت زیر تعریف میشود:

که در آن f , c به ترتیب تابع سیگنال و ضرایب موجک اند و موجک مادر است. از حاصلضرب ضرایب موجک در توابع موجک (مقیاسشده و انتقالیافته در زمان)، موجکهای تشکیل دهنده سیگنال (یا توابع پایه) حاصل میشوند.
تبدیل موجک پیوسته را میتوان بصورت ضرب داخلی سیگنال اصلی در موجک مادر دانست.که در این صورت رابطهی تبدیل موجک پیوسته بصورت زیر خواهد بود :
که در آن
درجایی که به موجک مادر اشاره می کند. زمان/ فضا تابع دارای انرژی محدود و زوالپذیری سریع است. و s و به ترتیب نشان دهندهی اتساع (تاخیر) و پارامتر تبدیل هستند. که در آنها تابع پایه یا موجک مادر ، (t)x سیگنال مورد نظر ، مقدار انتقال زمانی و s اندازهی مقیاس تابع پایه است. معرف تابع موجک با مقیاس s است که به اندازه در طول سیگنال انتقالیافته است یک واقعیت مهم در مورد توابع موجک اینست که خود تبدیل هیچ محدودیتی در مورد شکل آنها ایجاد نمیکند و این تفاوت عمدهی تبدیل موجک با سایر تبدیلها است. ولی دو شرط وجود دارد که موجکها بایستی آنها را بر آورده سازند.
الف)مقبولیت

که در آن تبدیل فوریهی است از این شرط دو نتیجه حاصل میشود :
1 – تبدیل موجک معکوس شونده است:
یعنی به کمک توابعی که مجذور آنها جمع پذیرند میتوان هر سیگنال دلخاهی را بازسازی نمود
2– تابع بایستی به ازای =0ω دارای مقدار صفر باشد:

سریهای اطلاعاتی ناایستا به سریهایی اطلاق میشود که فرکانسهای موجود در آنها در نقاط مختلف فضای آرگومان رخ میدهند. در صورتی که هدف از آنالیز یک سری اطلاعاتی تنها آشکارسازی فرکانسهای موجود در آن باشد، روش بکار گرفته شده در آنالیز سریهای اطلاعاتی ایستا و ناایستا میتواند یکسان باشد. برای این منظور میتوان از تبدیل فوریه استفاده کرد. اما اگر هدف از آنالیز سری اطلاعات آشکارسازی محل بوقوع پیوستن هر فرکانس در فضای آرگومان باشد، تقسیم بندی ارائه شده در مورد سریهای اطلاعاتی از نقطه نظر ایستا یا ناایستا بودن باید مورد توجه قرار گیرد. در سریهای اطلاعاتی ایستا میتوان با استفاده از تبدیل فوریه نیز به جواب دلخواه رسید. “زیرا با استفاده از تبدیل فوریه فرکانسهای موجود در سری اطلاعاتی آشکار می شوند و نیز می دانیم که این فرکانسها در تمامی نقاط فضای آرگومان رخ میدهند.” اما در بررسی سریهای اطلاعاتی ناایستا پاسخگویی به این سؤال با بکارگیری تبدیل فوریه امکان پذیر نیست. بلکه باید امکان موضعی سازی زمان- فرکانس را فراهم آورند [15،16].
یکی از روشهای حل این مساله تبدیل سری اطلاعاتی ناایستا به بخشهای ایستا است. برای این منظور از یک تابع پنجره استفاده میشود، که با ضرب کردن آن در سری اطلاعاتی، میتوان آن را در فضای آرگومان محدود کرد. اگر از نتیجه این حاصلضرب تبدیل فوریه گرفته شود، میتوان از طیف حاصله به عنوان طیف سری اطلاعاتی در بازه زمانی تعریف شده توسط تابع پنجره تعبیرکرد. از این تبدیل به عنوان تبدیل فویه زمان کوتاه نام برده میشود.
همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، در این تبدیل یک سری اطلاعاتی به بخشهای کوچک تقسیم میشود و سپس از هر بخش تبدیل فوریه گرفته میشود.

شکل 3-1 روند تبدیل فوریهی زمان کوتاه[18].
برای رسیدن به تقسیم بندی زمانی مناسب از یک پنجره کوچک استفاده کرد و برای اندازهگیری دقیق یک فرکانس باید از یک پنجره به اندازه کافی بزرگ استفاده کرد. بنابراین یک رابطه عکس بین دقت زمانی و دقت فرکانسی وجود دارد.
تبدیل فوریه اجازه میدهد تا برای تجزیه و تحلیل دقیق از اجزای (مولفه) هارمونیک مقطع عرضی یا (برش عمودی) سطح استفاده شود. و در تفکیک تریس لرزهای به امواج سینوسی یا کسینوسی تشکیل دهنده آن بسیار موثر عمل میکند ولی متاسفانه پس از این تفکیک اطلاعات زمانی از بین میرود. بدین معنی که وقتی به تبدیل فوریهی یک سیگنال نگاه شود غیر ممکن است که بتوان گفت این مولفهها در چه زمانی روی سیگنال مورد نظر قرار دارند. چون تریسهای لرزهای ناپایا هستند، به عبارت دیگر خواص بسامدی و فازی آنها متغیر با زمان است، بنابراین نمیتوان از تبدیل فوریه برای تشخیص این خواص استفاده کرد. [21].
حال این سوال مطرح میشود که آیا میتوان برای رفع این مشکل سیگنال ناپایا را در بخشهای کوچکتری به عنوان سیگنالهای پایا فرض کرد یا به چند سیگنال پایا تقسیم نمود؟ جواب مثبت است ، نوعی تبدیل فوریه وجود دارد که روی قسمتی از یک سیگنال (در زمان) به کار میرود ، این روش به ” پنجره کردن سیگنال ” معروف است سیگنال ورودی را در دو بعد زمان و بسامد میدهد و نیز اطلاعاتی در مورد اینکه در چه زمانی کدام بسامدها ثبت شدهاند را میدهد. اصطلاح ” تبدیل فوریهی زمان کوتاه ” تفاوتی با تبدیل فوریهی معمولی دارد که طول پنجره در تبدیل فوریه برابر با طول سیگنال است ولی در تبدیل فوریهی زمان کوتاه، طول پنجره دارای ابعاد محدودی است، و فقط بخشی از سیگنال که در داخل. پنجره قرار دارد تبدیل فوریه گرفته میشود از نظر ریاضی، تبدیل فوریهی زمان کوتاه را میتوان بصورت زیر نشان داد:

که در آن :
سیگنال اصلی : (t) x
t– t) w(تابع پنجره : (
مزدوج مختلط: *
مقدار جابجایی پنجره در هر قدم است : ́t
این معادله چیزی نیست جز تبدیل فوریهی سیگنال که در تبدیل فوریهی تابع پنجره ضرب شده است هنگام اجرای تبدیل فوریهی زمان کوتاه طول پنجرهی زمانی انتخاب شده برای تمام طول سیگنال یکسان است. تفکیک زمان – بسامد در کل طول زمانی سیگنال تغییر نکرده است (شکل 3-2)، و این ضعف اصلی تبدیل فوریهی زمان کوتاه است (“یعنی چگونگی انتخاب عرض تابع پنجره”) است[71،21].

شکل 3-2 نمایش تبدیل فوریهی زمان کوتاه یک سیگنال. طول پنجره زمانی در طول کل زمان سیگنال ثابت است [18].
3-2 تبدیل موجک
زمینه ریاضی آنالیز موجک به کار Joseph Fourier در قرن نوزدهم برمیگردد. فوریه با تئوری آنالیز فرکانس اساس کار را پایهگذاری کرد، ولی کلا از دیدگاه تاریخی آنالیز موجک روش جدیدی است. نخستین عبارت موجک در سال 1909 در پایان نامه Alfred Haar ثبت شده است. مفهوم موجک در شکل تئوری زمان حاضر بوسیله Jean Morlet ژئوفیزیکدان فرانسوی پیشنهاد شده است[20،19]. تبدیل موجک در مکان و فرکانس متمرکز میشود که میتواند یک مزیت برای اطلاعات ریخت شناسی و توپوگرافی (نقشه برداری) سطح باشد. و یک ابزار ایده آل برای مشخص کردن مسیر انجام واکنش ناپیوستگی و حالت تناوبی بودن بر روی سطح میباشد. علاوه بر این میتوانند برای حذف نویز در تصویر میکروسکوپ روبشی مورد استفاده قرار بگیرند. در دورهی تحلیل تصاویر سه بعدی تبدیل موجک گسسته میتواند از همهی اشکال در همهی مقیاسهای فرکانس عکس بگیرد. بنابراین فراهم آوردن یک سطح از عکس دیگر غیر ممکن خواهد بود. همچنین این امکان وجود دارد که متدولوژی (روش شناسی) را برای تحلیل ساختار سطح در سطح مولکولی بکار برد. همانطور که ذکر شد در تبدیل فوریه ، سیگنال به موجهای سینوسی که دارای بسامدهای متفاوت هستند تفکیک میشود. به همین نحو در تبدیل موجک ، سیگنال به موجکهایی که شکل انتقالیافته یا مقیاس شدهای از یک موجک اصلی (یا مادر) هستند تفکیک میشود.

شکل 3-3 تفکیک سیگنال به موجکهای مادر تشکیل دهنده آن با استفاده از ضرائب تبدیل موجک
ویژگی اصلی تبدیل موجک در مقابل تبدیل فوریهی زمان کوتاه اینست که “تمامی توابع پایه از انتقال و مقیاس یک تابع (موجک مادر) بدست می آیند.” توابع موجک با اضافه کردن دو پارامتر انتقال و مقیاس، بصورت زیر از روی موجک مادر بدست می آیند:

در این رابطه ψ موجک مادر، a پارامتر مقیاس و bپارامتر انتقال و ضریب به منظور نرمالیزه کردن مقیاسهای مختلف اضافه شده است.
سیگنال تحت بررسی دارای فرکانسهای بالا در بازههای زمانی کوتاه (همانند مشاهده درخت (مقیاس کوچک)) و یا فرکانسهای پایین برای زمانهای طولانی (همانند مشاهده جنگل (مقیاس بزرگ)) می باشد مفید است.
این به بیان فیزیکی یعنی اینکه :

2-6-2 روش پراکنشی (کندوپاش)
در این روش یک نمونه از ماده پوششی و زیر لایه در محفظه خلاء قرار میگیرد. محفظه تا فشار 5 تا 10 تور و کمتر تخلیه شده و سپس یک گاز خنثی، معمولاً آرگون، به داخل آن فرستاده میشود، به صورتیکه فشار تا حدّ 2 تا 10 تور و یا بیشتر افزایش یابد. ماده پوششی که از زمین عایق شده است به یک منبع الکتریکی با ولتاژ 3000- ولت وصل میشود. اعمال این ولتاژ، تخلیهی شدید الکتریکی را موجب میشود در نتیجه هالهای از یونهای آرگون به وجود می آید. یونهای آرگون تولید شده با انرژی زیاد جذب هدف یا ماده پوششی میشود و توسط یک فرایند انتقال گشتاور، اتمهای نمونه پوششی از آن جدا میشوند. اتمهای خارج شده به سمت زیر لایه حرکت کرده و بر روی آن رسوب میکنند. روش کندوپاش مواد به صورتهای واکنشی وغیر واکنشی انجام میشود. در شکل2-1 طرحی از یک دستگاه کندوپاش نمایش داده شده است.

شکل 2-1 طرحی از یک دستگاه کندوپاش
Widget not in any sidebars

2-6-3 تبخیر با باریکه الکترونی (E.Beam)
در این روش باریکهای از الکترونها با انرژی بالا به یک منطقه محدود مشخص شده که ماده در آن منطقه قرار گرفته میتابد و باعث گرم شدن و تبخیر ماده میشود. چون در این روش باریکهی الکترونی در یک محل کوچک و محدود متمرکز میشود و آن را گرم میکند، سرعت لایهنشانی افزایش مییابد و همچنین از ترکیب شدن ذرات لایه با مواد ظرف جلوگیری میشود و خلوص لایهها افزایش می یابد. معمولیترین ساختار باریکه الکترونی، منبع تفنگی است که الکترونها از المنت گرم شده بصورت ترمویونیکی منتشر میشوند و پس از تبخیر ماده به طرف زیر لایه حرکت میکنند. این الکترونها در اختلاف پتانسیل بین 4 تا 20 کیلو ولت شتاب میگیرند و با اعمال میدان مغناطیسی مسیر حرکت آن کنترل میشود.
در روش کندوپاش وقتی یونها به سطح جسم هدف برخورد میکنند باعث کنده شدن اتمهای جسم از سطح میشوند به این عمل کندوپاش میگویند. علت کندوپاش انتقال تکانه از ذرات به اتمهای سطح هدف میباشد. نسبت تعداد اتمها یا مولکولهایی که از سطح هدف کنده میشوند بر یونهایی که به آن سطح برخورد میکنند حاصل کندوپاش میگویند. یک تفاوت بین روش تبخیر و کندوپاش این است که در تبخیر آلیاژها جزء جزء میشود و عنصر سنجی ماده انباشته از دست میرود ولی در روش کندوپاش لایههایی با همان ترکیب چشمه هدفگاه تشکیل میشوند[12،13].
یکی از مسائل مهم در کندوپاش افزایش دمای زیرلایه در حین انباشت لایه است. اتمهای کندوپاش شده که بر سطح برخورد میکنند نسبت به حالت تبخیر بسیار پر انرژیتر میباشند که این گرما باید از زیرلایه گرفته شود وگرنه باعث گرم شدن بیش از حد و کاهش کیفیت لایه انباشته میگردد. شکل 2-2 تصویر یک دستگاه لایهنشانی تبخیر فیزیکی را نشان میدهد.

شکل 2-2 تصویر دستگاه کندوپاش تبخیر فیزیکی
فصل سوم
تبدیل فوریه،تبدیل فوریهی زمان کوتاه و تبدیل موجک
3-1تبدیل فوریه و تبدیل فوریهی زمان کوتاه (پنجره)
مقدمه [14]
وقتی به یک مجموعه از اندازهگیریهای انجام شده بر روی یک پدیده قابل اندازهگیری شاخص زمان یا مکان داده شود، به یک سری اطلاعاتی خواهیم رسید که میتوان از آن اطلاعات خاصی را استخراج نمود. بکارگیری این روش در علوم مختلف از قبیل؛ فیزیک، شیمی، ژئوماتیک و…. متداول و مورد نیاز میباشد.
آنچه تحت عنوان اهداف این اندازهگیریها مطرح است، در چهار سؤال زیر خلاصه میشود:
1- چه مؤلفههایی در سری اطلاعاتی بدست آمده موجود است؟
2- یک مؤلفه بخصوص در فضای آرگومان، در کجا رخ میدهد ؟
3- یک مؤلفه بخصوص در فضای فرکانس، در کجا رخ میدهد ؟
4- یک فرکانس بخصوص در کدام قسمت از فضای آرگومان رخ میدهد ؟
پاسخ به سؤال اول و دوم نیازمند دانش اولیه در مورد طبیعت سری اطلاعاتی است. این دانش اولیه منجر به انتخاب توابع پایه مناسب در مولفه فرکانسی سیگنال است.
راه حل سؤال سوم استفاده از تبدیل فوریه بویژه در حالتی که سری اطلاعاتی ماهیت تناوبی داشته باشد است. به عبارت دیگر این روشها امکان تعیین مؤلفههای مشخص در فضای فرکانس را فراهم میآورند. اما “با استفاده از دو تبدیل فوق امکان تشخیص این که آیا یک فرکانس خاص در قسمتی از سری اطلاعاتی یا در تمامی آن وجود دارد، میسر نمیباشد.” برای پاسخگویی به سؤال چهارم نیازمند بکارگیری روشهایی دیگر هستیم. از جمله این روشها میتوان STFT نام برد.
آنالیزطیفی فوریه و فوریهی زمان کوتاه
اکثر سریهای اطلاعاتی که مورد بررسی قرار میگیرند در فضای آرگومان هستند که همواره بهترین نوع نمایش آنها نمیباشد. به عبارت دیگر در بسیاری از موارد، اطلاعات قابل استفادهی زیادی از سیگنال در دامنه فرکانس آنها نهفته است. هدف از آنالیز طیفی پیدا کردن فرکانسهای مجهول سیگنال است. آنالیز طیفی را میتوان اولین گام در تجزیه تابع f (x) به جملات مثلثاتی مجزا دانست. حل دقیق این مساله به ندرت امکان پذیر است. از جمله روشهای حل این مساله میتوان به آنالیز هارمونیک، آنالیز طیفی کمترین مربعات و آنالیز طیفی فوریه اشاره کرد[15]. بطور کلی میتوان سریهای اطلاعاتی را به دو بخش تقسیم کرد:
1- سریهای اطلاعاتی ایستا
2- سریهای اطلاعاتی ناایستا
سریهای اطلاعاتی ایستا به سریهایی اطلاق میشود که فرکانسهای موجود در آنها در تمامی نقاط فضای آرگومان رخ میدهند.

مصریان، نخستین مردمانی بودند که ورقههای نازک طلا را در مجسمه سازی، ساختن تاج های پادشاهی، صندوق، تابوت و کتابهای خطی به کار میبردند. ضخامت ورقههای نازک طلا که در آثار باستانی بدست آمده حدود 3/0 میکرون میباشد. در گذشتههای دور لایهنشانی جیوه بر روی قطعههای مسی با حرارت انجام میشده که تا قرن نوزدهم نیز بسیار معمول بود. این کار همواره با خطر مسمومیت و حتی مرگ بر اثر استشمام زیاد بخار جیوه همراه بود. ولی امروزه روشهای دیگری مانند آبکاری شیمیایی جای آن را گرفته است. امروزه زرورق با استفاده از غلطک به ضخامت 1/0 میکرون و حتی05/0 میکرون توسط زرورق سازان ساخته میشود و برای تزئین ساختارهای گوناگون استفاده میشود. در این روش ذرات ریز طلا در محلول آمیخته میشود و مانند رنگ بر روی وسایل شیشهای و چینی برای ترسیم نقاشی مورد استفاده قرار میگردد که بعد از ترسیم در کوره پخته میشود تا رنگ طلا تثبیت گردد.
همچنین از محلول مناسب طلا که نیاز به پخت نداشته باشد در نوشتن کتابهای مقدس استفاده میشود. اولین لایههای نازک مدرن امروزی در سال 1838 میلادی به روش الکترولیز به دست آمده است. بونسن وگروو توانستند لایههای نازک فلزی را به ترتیب با روش واکنش شیمیایی و پراکنش تخلیهی نورانی بدست آورند.
فارادی در سال 1857 توانست با استفاده از تبخیر حرارتی از سیمی که از آن جریان زیادی عبور میکرد، لایههای نازک فلزی بدست آورد. امروزه تکنولوژی ساخت لایههای نازک بسیار گسترده شده و هم اکنون ساخت لایههای نازک به سمت فناوری نانو سوق داده میشود [11،12].
2-3 تقسیم بندی لایهها از نظر ضخامت
اصولاً لایهها و پوششها از نقطه نظر ضخامت به چهار گروه تقسیم میشوند که عبارتند از:
1- لایه ضخیم که ضخامت آن در محدودهی میلی متر است.
2- لایه نازک که ضخامت آن در محدودهی میکرون میباشد.
3- لایه خیلی نازک که ضخامت آن در محدودهی نانومتر است.
4- مونو لایه که ضخامت آن در محدودهی1 تا 01/0 آنگستروم است.
2-4 تقسیم بندی لایهها براساس رسانایی
بر اساس رسانایی میتوان لایهها را به سه دسته عمده تقسیم کرد که عبارتند از:
1- لایههای رسانا: در این نوع لایهها از مواد رسانا به عنوان ماده انباشت استفاده میشود. لایههای رسانا دارای هدایت الکتریکی و گرمایی زیاد هستند و همچنین جلا و شفافیّت خاص خود را دارند. از این لایهها در ساخت اتصالات الکتریکی، نوارهای نازک در مدارهای مایکروویو و بعضی از قطعات الکتریکی دیگر استفاده میشود.
2- لایههای عایق یا دی الکتریک: این مواد در باند هدایتشان در حالت عادی هیچ الکترونی ندارند و از لحاظ الکتریکی نارسانا هستند و به عنوان عایق جداسازی فلزات از یکدیگر یا فلزات از نیمه رساناها استفاده میشود.
3- لایههای نیمه رسانا: از این لایهها در ساخت بعضی قطعات الکترونیکی مانند یکسو کنندههای الکتریکی استفاده میشود.
2-5 عوامل مؤثر در کیفیت لایههای نازک
عواملی که در کیفیت لایههای نازک مانند یکنواختی ضخامت لایه، عدم وجود ترک در سطح لایه و خلوص لایه مؤثر هستند عبارتند از:
1- نوع خلاء: با افزایش میزان خلاء، گذار از حالت جامد به بخار در دمای پایین امکان پذیر میشود و همچنین افزایش میزان خلاء باعث تخلیهی دستگاه خلاء شده و خلوص لایه را بیشتر میکند.
2- سرعت لایهنشانی: زیاد بودن سرعت لایهنشانی باعث میشود که در زمان کم ضخامت زیر لایه به شدت افزایش یابد و کم بودن سرعت لایهنشانی باعث میشود که سطح زیر لایه یکنواخت نشود بنابراین با توجه به ضخامت مورد نیاز باید سرعت لایهنشانی مناسبی را انتخاب کرد.
3- دمای زیر لایه: با توجه به جنس ماده لایهنشانی و اتاقک خلاء باید دمای مناسب اتاقک و زیر لایه را تنظیم کرد.
4- ساختار زیر لایه: جنس زیرلایه و شکل سطح زیر لایه و اندازه زیرلایه در کیفیت زیرلایه تاًثیر دارد.
5- تطابق بین لایه و زیرلایه: جنس زیر لایه باید طوری باشد که ضریب انبساط سطحی آن با ضریب انبساط سطحی لایه تقریبأ برابر باشد تا هنگام گرم و سرد شدن در سطح آن ترک ایجاد نشود.
6- تمیز بودن وسایل مورد استفاده از جمله زیر لایه
7- خالص بودن ماده لایهنشانی: خلوص ماده لایهنشانی و ایجاد شرایط فوق باعث ایجاد لایه خالص و یکنواخت میشود [12].
2-6 فرایندهای لایهنشانی
دو نوع فرایند اساسی برای لایهنشانی مورد استفاده قرار میگیرد که عبارتند از روشهای فیزیکی (PVD) و روشهای شیمیایی (CVD) که ما در اینجا فقط نوع تبخیر فیزیکی را توضیح میدهیم.
2-6-1 فرایند تبخیر فیزیکی
سیستم فرایند تبخیر فیزیکی(PVD) از کارایی بسیار بالایی برخوردار بوده و دامنه وسیعی از متغیرها را در برمیگیرد که برخی از آنها شامل واکنشهای شیمیایی نیز میباشد از این فرایند برای تولید رسوب هایی از فلزات خالص، آلیاژها، ترکیبات و سرامیکها بر روی تقریباً انواع مختلف زیر لایهها با شکلهای مختلف استفاده میشود. سرعت تشکیل پوشش در این روش تا 50 میکرون در دقیقه می رسد. دامنه کاربرد این روش در تمام زمینههای صنعتی و تکنولوژی برای ایجاد خواص سطحی مانند خواص الکتریکی، نوری، مکانیکی، شیمیایی و… میباشد. در این روش انرژی گرمایی به وسیلهی عبور جریان الکتریکی از درون المنت ظرف مخصوص حاوی ماده، به اتمهای ماده داده میشود تا دمای آن به اندازه کافی افزایش یابد و بتواند عمل تبخیر یا تصعید را انجام دهد. میتوان با تغییر جریان اندازه گرما وسرعت تبخیر را کنترل کرد. از مزایای این روش سرعت بالای لایهنشانی ، سادگی و کاربرد نسبتاً آسان آن میباشد. ظرف مخصوص ذوب فلز (بوته) مطابق شکل2-2 به شکل فنجانهای استوانه ایاز جنس اکسیدها، پی رولیتیک،گرافیت و فلزات دیر گداز مانند ایریدیم میباشد و با سیم تنگستن خارجی گرم میشود. از این روش در لایهنشانی مواد رسانا برای مدارهای الکتریکی و تجهیزات الکترونیکی و اپتیکی استفاده میشود. در روش تبخیر فیزیکی تهیه یک محیط با شرایط خلاء بالا بسیار لازم است زیرا مواد گرم شده در این شرایط در دمای پایین میتواند گذار از حالت جامد به حالت گاز داشته باشد و این خلاء بالا از واکنش مواد با هوا یا ذرات دیگر جلوگیری میکند. فشار اولیهی مورد نیاز در این روش تا تور میباشد.

محدودیتها
1- کیفیت تصویر سطوح تخت، نظیر نمونههایی که پولیش و حکاکی متالوگرافی شدهاند، معمولاً در بزرگنمایی کمتر از 300 تا 400 ، برابر به خوبی میکروسکوپ نوری نیست.
2- قدرت تفکیک حکاکی بسیار بهتر از میکروسکوپ نوری است، ولی پایین تر از میکروسکوپ الکترونی عبوری و میکروسکوپ عبوری روبشی است.
1-8-6 میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM)
در این میکروسکوپ پروب با لایهای نازک از یک ماده فرو مغناطیسی پوشانده میشود و نسبت به خواص مغناطیسی سطح نمونه حساس میباشد. اساس کار آن نیز بصورت دینامیکی یعنی تغییرات بسامد تشدید کانتی لیور اندازهگیری میشود. بسامد به ارتعاش پروب بستگی دارد که پروب به خواص مغناطیسی حساس میباشد بدین ترتیب تغییرات بسامد پردازش شده و تصویری از ساختار مغناطیسی سطح نمونه بدست میآید.
1-8-7 میکروسکوپ روبشی تونلی (STM):
میکروسکوپ روبشی تونلی (STM) دستگاهی است که برای بررسی ساختار و خواص سطوح مواد رسانا، بیولوژیک که تا حدی رسانا هستند و همچنین لایههای نازک نارسانا که روی زیرلایه رسانا لایه نشانی شدهاند، در ابعاد زیر نانومتر، بکار میرود مبنای اندازهگیری هندسه و خواص سطحی در این دستگاه بر این واقعیت استوار است که هرگاه فاصله یک سوزن تیز رسانا از یک سطح رسانا حدود چندآنگستروم باشد (متصل نشوند) و اختلاف ولتاژی به بزرگی حدود ده میلی ولت به آن اعمال شود جریان الکتریکی حدود چند نانوآمپر بین سوزن و سطح برقرار میشود. به این پدیده در اصطلاح « جریان تونل زنی » گفته میشود. این پدیده تنها در سایه مکانیک کوانتومی روی میدهد چرا که الکترونها در انتقال از سوزن به سطح و برعکس از ناحیهای میگذرند که انرژی پتانسیل الکترون از انرژی کل آن بزرگتر است (ناحیه بین سوزن و سطح). شکل زیر بطور نمادین اجزای اصلی دستگاه STM را نشان میدهد.

شکل 1-13 نمایش نمادین اجزای اصلی واصول عملکرد دستگاه STM
اصول کلی کار STM بدین صورت است که یک سوزن بسیار ظریف و نوک تیز رسانا به یک بازوی پیزوالکتریک متصل شده است. به منظور تنظیم مکان سوزن نسبت به سطح نمونه مورد بررسی با اعمال اختلاف ولتاژهای مناسب به پیزوالکتریکوها ها در راستاهایZ ,y ,x سوزن را به هر نقطه دلخواه از فضای سه بعدی، با دقت آنگستروم، میتوان منتقل کرد. برای تهیه نقشه خصوصیات یک ناحیه از سطح سوزن به بالای تک تک نقاط سطح منتقل میشود (به اینکار در اصطلاح « روبش سطحی » گفته میشود). در این حالت در یک ارتفاع معین اختلاف ولتاژ خاصی بین سطح نمونه و سوزن رسانا اعمال میشود و جریان الکتریکی تونلی اندازهگیری میشود. اندازه این جریان تابعی از جنس سطح، هندسه سطح، فاصله سوزن از سطح و اختلاف ولتاژ اعمال شده میباشد. روشهای مستقیم STM در تعیین مشخصات سطوح در دماهای پایین و در ولتاژهای معمولی ارتباط بین جریان تونلی و مشخصات سوزن و فاصله بین آنها بصورت IT=F(V) ×exp(-2kz) میباشد که ارتفاع سوزن از سطح ثابت نمایی تابعی از »تابع کار« سوزن و سطح و F تابعی از چگالی حالات انرژی الکترونهای سطح است. در صورتی که جنس سطح و چگالی حالات انرژی الکترونها در نقاط مختلف سطح یکسان باشد این روش فرآیند مطمئنی برای تعیین توپوگرافی هندسی سطح مواد، با دقت آنگستروم، محسوب میشود. از طرفی با توجه به فرض یکسان بودن جنس سطح (چگالی حالات انرژی الکترونها) در نقاط مختلف سطح مقدار جریان تونلی تنها تابعی از ارتفاع سوزن از سطح خواهد بود.
بنابراین در روبش سطحی، ثابت بودن جریان تونلی به معنی ثابت بودن ارتفاع سوزن از سطح میباشد. در نتیجه با ثبت مسیر پیزوالکتریک حین فرآیند روبش سطحی از توپوگرافی هندسی سطح مطلع میشویم.

شکل 1-14مسیر سوزن در مد جریان ثابت

شکل1-15 ساختاراتمی یک نانوتیوب تک جداره کربن توسطSTM
فصل دوم
لایه نشانی
مقدمه
فنآوری لایههای نازک، دارای قدمتی چند هزار ساله است و امروزه نیز یکی از مهمترین و پیچیدهترین شاخههای علمی و فنی جهان را به خود اختصاص داده است. در هزاران سال پیش برای تولید ورقههای نازک طلا در ساخت زیورآلات و تزئین مجسمهها از این فن آوری استفاده میکردند. همچنین در گذشتههای دور بر روی قطعات مسی لایهنشانی جیوه مرسوم بوده است. اما امروزه نانو ذرات به دلیل خواص ویژه و همچنین کاربردهای تکنولوژیکی فراوانی که دارند مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفتهاند به طوری که بخش عظیمی از پیشرفت در زندگی مدرن امروزی، مدیون توسعهی صنعت لایهنشانی میباشد. مهمتر از همه نانوذرات فلزی به دلیل خواص اپتیکی، الکترونیکی و کاتالیزوری ویژهای که دارند، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف از جمله صنایع نظامی، صنایع تغذیه، صنایع تزئینی، ارتباطات و الکترونیک به خود اختصاص دادهاند[11].
بطور کلی خواص فیزیکی و مورفولوژی مواد به ویژه فلزات، در حالت نانو تفاوت بسیاری با خواص آن در حالت کُپهای دارد و همچنین باز پخت لایهها در دماهای مختلف باعث تغییراتی در این خواص میشود.
برای ایجاد نانو و لایهنشانی معمولاً از دو نوع فرایند، یعنی لایهنشانی فرایند فیزیکی و لایهنشانی فرایند شیمیایی استفاده میشود که هر یک از این فرایندها به روشهای مختلفی انجام میشود در اینجا به تعدادی از این روشها اشاره میشود.
2-1تعریف لایهنشانی
لایهنشانی را میتوان به شکلهای زیر تعریف کرد:
الف) کنترل اتمها از منبع تا سطح زیر لایه را لایهنشانی میگویند.
ب) وقتی ماده را از حالت کپهای بصورت اتمها یا مولکولها یا یونهای مجزا در آوریم و با کنترل فاز بر روی سطح زیر لایه بنشانیم، پوششی ایجاد میشود که به آن لایه میگویند و به این عمل لایهنشانی گفته میشود.
2-2 تاریخچه لایههای نازک
فن آوری لایههای نازک قدمتی در حدود چهار هزار ساله دارد. از این فن آوری در دوران قدیم در صنایع دستی زرورق سازی و ساختن لایههای نازک طلا استفاده میشد. طلا بعلت انعطاف پذیری، نرمی بسیار، چکش خواری، امکان ساخت ورقههای فوق العاده نازک و زیبا از آن و همچنین مقاوم بودن در مقابل خوردگی شیمیایی مورد استفاده قرار میگرفت.

شکل 1-9 تصویر یک نوع میکروسکوپ نیروی اتمی
1-8-4 میکروسکوپ روبشی جریان تونلی
امروزه رایجترین میکروسکوپ قابل استفاده میکروسکوپ روبشی جریان تونلی میباشد که در آن از یک پروب تیز و ولتاژ بایاس بین سوزن و سطح نمونه استفاده میشود هنگامی که پروب در فاصله بسیار کم حدود چند آنگستروم از سطح قرار گیرد، الکترونها بر اساس پدیده تونل زنی از سطح به پروب یا بلعکس جریان مییابد این جریان با تغییر فاصله سوزن تا نمونه تغییر میکند و با پردازش تغییرات، تصویرسازی از سطح ایجاد میشود. این میکروسکوپ فقط برای مواد رسانا به کار میرود و به دو شکل ارتفاع ثابت و جریان ثابت طراحی میشوند.
حالت ارتفاع ثابت برای سطوح صاف استفاده میشود که در آن پروب در یک صفحهی افقی، بدون بالا و پایین شدن حرکت میکند و فاصلهی بین پروب و صفحه در اثر ناهمواریهای سطح، کم و زیاد میشود و به دنبال آن جریان تونلی نیز کم و زیاد میشود و با این تغییر جریان پس از پردازش، تصویری واضح از سطح ایجاد میشود. در حالت جریان ثابت پروب میتواند به بالا و پایین حرکت کند تا جریان تونل زنی ثابت بماند. با بالا و پایین رفتن پروب نقشه ای از سطح نمایش داده میشود.
Widget not in any sidebars

برای تعیین اطلاعات مغناطیسی نمونه از یک سوزنک مغناطیسی استفاده میشود. ابتدا توسط AFM غیر تماسی اطلاعات توپوگرافی سطح تعیین میشود، سپس سوزنک را تا فاصلهی معینی از سطح بالا میآورند و عملیات پیمایش را انجام میدهند. اطلاعات نیروی مغناطیسی روی سطح با تغییرات دامنه نوسان تیرک در اثر مغناطیس بین سوزنک و سطح تعیین میشود.
1-8-5 میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
در این نوع میکروسکوپ پرتوهای الکترونی از لایه عبور نمیکنند بلکه باریکهای از الکترونها گسیل شده از تفنگ الکترونی توسط عدسیهای الکترواپتیکی کانونی شده سپس توسط منحرف کننده در پرتوهای الکترونی انحراف ایجاد کرده و سطح را جاروب میکنند (شکل 1-10) و بعد از عبور از عدسی به سطح نمونه برخورد میکنند و پس از گسیل مجدد از سطح توسط میدان الکتریکی جمع میشوند و با تقویت کننده سیگنالهای بدست آمده را در صفحه نشان میدهند. بیشتر از SEM برای تعیین مشخصهی لایههای نازک استفاده میشود در این دستگاه الکترونهای گرمایونی گسیل شده از کاتد تنگستن به سمت آند حرکت میکند و با دو عدسی جمع کننده متوالی، پرتو را بصورت یک نقطه کوچک کانونی میکنند یک جفت پیچه که در محل عدسیهای شیئی قرار دارند پرتوها را بصورت خطی بر روی سطح نمونه در سطح مستطیل شکل جاروب میکنند. معمولاً پرتوهای الکترونی دارای 30 کیلو الکترون ولت انرژی میباشند.
در میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)نیز مانند TEM، یک پرتو الکترونی به نمونه میتابد.

شکل 1-10 تصویر الکترونی روبشی سطح یک فلز با مقیاس یک میکرون اجزاء اصلی و حالت کاری یکSEM ساده

شکل 1-11 (a) طرحی از یک میکروسکوپیک الکترونی (b) شکل واقعی میکروسکوپ الکترونی

شکل1-12 نمودارشماتیکی اجزاء اصلی یک میکروسکوپ الکترونی روبشی
منبع الکترونی (تفنگ الکترونی) معمولاً از نوع انتشار ترمویونیکی فیلامان یا رشته تنگستنی است اما استفاده از منابع گسیل میدان برای قدرت تفکیک بالاتر، افزایش یافته است معمولاً الکترونها بین 1-KeV30شتاب داده میشوند. سپس دو یا سه عدسی متمرکز کننده پرتو الکترونی را کوچک میکنند، تا حدی که در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً بین nm10-2 است.
استفادههای عمومی
1- تصویرگرفتن از سطوح در بزرگنمایی 10 تا 100.000برابر با قدرت تفکیک در حد 3 تا 100 نانومتر (بسته به نمونه)
2- در صورت تجهیز به آشکارساز back scattered میکروسکوپها قادر به انجام امور زیر خواهند بود:
a) مشاهده مرزدانه، در نمونههای حکاکی نشده، b) مشاهده حوزهها، (domains) در مواد فرومغناطیس، c) ارزیابی جهت کریستالوگرافی دانهها با قطرهایی به کوچکی 2 تا 10 میکرومتر، d) تصویر نمودن فاز دوم روی سطوح حکاکی نشده (درصورتی که متوسط عدد اتمی فاز دوم، متفاوت از زمینه باشد).
3- با اصلاح مناسب میکروسکوپ میتوان از آن برای کنترل کیفیت و بررسی عیوب قطعات نیمه هادی استفاده نمود.
نمونههایی از کاربردها
1- بررسی نمونههایی متالوگرافی ، در بزرگنمایی بسیار بیشتر از میکروسکوپ نوری
2- بررسی مقاطع شکست و سطوح حکاکی عمیق، که مستلزم عمق میدانی بسیار بزرگتر از حد میکروسکوپ نوری است.
3- ارزیابی جهت کریستالوگرافی اجرایی نظیر دانهها، فازهای رسوبی و دندریتها بر روی سطوح آماده شده برای کریستالوگرافی
4- شناسایی مشخصات شیمیایی اجزایی به کوچکی چند میکرون روی سطح نمونهها، برای مثال، آخالها، فازهای رسوبی و پلیسههای سایش
5- ارزیابی گرادیان ترکیب شیمیایی روی سطح نمونهها در فاصلهای به کوچکی μm 1
6- بررسی قطعات نیمههادی برای آنالیز شکست، کنترل عملکرد و تأیید طراحی نمونهها

شکل 1-5تصویر (a)یک قطعه پیزوالکتریک (b)پروب (سوزن)
Widget not in any sidebars

1-8-2 میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
در این نوع میکروسکوپ از عدسیهای الکتروستاتیکی استفاده میشود که کار بزرگنمایی و تمرکز الکترونی را انجام می دهد. با توجه به شکل 1-6 در این میکروسکوپ، الکترونها از کاتد گسیل میشوند و توسط آند شتاب میگیرند و توسط عدسی الکترواپتیکی روی نمونه متمرکز میشوند سپس امواج الکترونی از نمونه عبور کرده و توسط عدسیهای اپتیکی تصویر بزرگتری را ایجاد میکند و بر روی پرده نشان میدهد. این میکروسکوپ برای کسب اطلاعات ساختاری از نمونههایی که به اندازهی کافی نازک هستند تا الکترون از آن بگذرد استفاده میشود. دو حالت اصلی (TEM) عبارتند از تفکیک پرتو و تصویر سازی. در این دستگاه الکترونهای گسیل شده از تفنگ گرمایونی، تا100 کیلو الکترون ولت و گاهی تا یک مگا الکترون ولت شتاب داده میشود و توسط عدسیهای جمع کننده دستگاه به نمونه تابانده میشوند. مراحلی که الکترون در عبور از درون نمونه تحمّل میکند، بصورت اطلاعات کسب شده نشان داده میشود.
خواص مواد نانوساختاری به شکل و اندازه آنها بستگی دارد و از این رو مطالعه پیرامون شکل، اندازه و آرایش مواد نانوساختاری ضروری است. روشهای مختلفی برای تعیین شکل و اندازه ذرات به کار میرود که از جمله آنها میتوان به (AFM) میکروسکوپ نیروی اتمی و مانند آن اشاره کرد. برخی طیف سنجی نوری عبوری، پراش اشعه، اندازه X از این روشها شکل و اندازه ذرات را به طور مستقیم به دست نمیدهند.
روشهای مورد استفاده در میکروسکوپ الکترونی عبوری برای بررسی ویژگیهای مواد عبارتند از:
تصویربرداری (میدان تاریک و میدان روشن)
پراش الکترون
پراش الکترون با باریکه واگرا(SAD)
تصویربرداری Phase-Contrastدر HRTEM
تصویربرداری Z-Contrast
طیف نگاری پاشندگی انرژی اشعه (EDS) X
طیف نگاری اتلاف انرژی الکترون (EBLS) [7،8].

شکل 1-6 طرحی ازیک میکروسکوپیک الکترونی
1-8-3 میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
دستگاهی است که برای بررسی خواص و ساختار سطحی مواد در ابعاد نانومتر بکار میرود این دستگاه میتواند از سیگنالهای متعددی استفاده کند و در محیط خلاء و مایع نیز میتواند کار کند. بر خلاف اکثر روشهای بررسی خواص سطوح، در این روش غالباً محدودیت اساسی بر روی نوع سطح و محیط آن وجود ندارد. امکان بررسی سطوح رسانا یا عایق، نرم یا سخت، منسجم یا پودری، بیولوژیک و آلی یا غیر آلی وجود دارد. میتوان ویژگیهایی مانند: اصطکاک، مورفولوژی سطح، توزیع چسبندگی، ناخالصی سطح، جنس نقاط مختلف سطح، خاصیت کشسانی، خاصیت مغناطیسی، بزرگی پیوندهای شیمیایی، توزیع بارهای الکتریکی و قطبش الکتریکی نقاط مختلف سطح را بررسی کرد. بر اساس کاربردها و نیازهای مختلف سوزنکهایی با شکلهای مختلف استفاده میشود.
شکل 1-7 بطور نمادین اجزای اصلی دستگاه AFM را نشان میدهد. هنگامی که جسم مورد نظر بر روی این دستگاه برای اسکن شدن نصب میشود و سوزن روی آن قرار میگیرد بر اثر حرکت جسم و نیروهای یونی دفع کننده که بین نوک سوزن و مسیر اسکن وجود دارد سوزن و پایه بالا و پایین میروند. مسیر لیزر بازتاب شده با بالا و پایین رفتن پایه تغییر کرده و تصویر توپوگرافی از سطح نمونه تشکیل میدهد. دقت این تصویر برداری در حد اتم است.

شکل 1-7 شماتیک اصول عملکردAFM
نحوه عملکردAFM:
اصول کلی کار AFM بدین صورت است که یک سوزن 2 بسیار تیز و ظریف به نوک یک شیء باقابلیت ارتجاع به نام تیرک وصل شده و سر دیگر تیرک به یک بازوی پیزو الکتریک متصل شده است. پشت لرزانک با یک لایه نازک از فلز، برای بهبود انعکاس باریکه لیزر از آن، روکش شده است. انعکاس باریکه لیزر به منظور آگاهی از جهتگیری تیرک در فضا میباشد. با اعمال اختلاف ولتاژهای مناسب به پیزو الکتریک در راستاهای x، y وZ محل اتصال تیرک به پیزوالکتریک را میتوان به هر نقطه دلخواه از فضای سه بعدی، با دقت آنگستروم، منتقل کرد.
با تغییر پیوسته اختلاف ولتاژهای اعمال شده به پیزوالکتریک، سوزن سطح نمونه را جاروب میکند و با مکانیزم یاد شده موقعیت تک تک نقاط سطح معین میشود و نتیجه در نمایشگر یک کامپیوتر، بصورت یک سطح سه بعدی رسم میشود. در شکل زیر عکس سه بعدی جالبی بعنوان مثال آورده شده است.

شکل 1-8 ساختار هندسه سه بعدی واحدهای حافظه CD تهیه شده توسط AFM(هرواحدافقی نمودار 250 نانومتر ودرجه عمودی 75 نانومتر)
AFM تماسی: نوک سوزنک با سطح نمونه تماس پیدا میکند در این روش از یک اهرم بسیار ظریف استفاده میشود که ثابت فنر آن بین 1 تا 01/0 نیوتن بر متر است. بنابراین نیروی به وجود آمده بین سوزنک و سطح نمونه موجب انحراف آن میگردد. نیروی بین سوزنک و سطح نمونه در حدود نیوتن است. با اندازهگیری میزان انحراف اهرم و با داشتن ثابت فنر میتوان مقدار نیروی وارده بر آن را محاسبه کرد و با توجه به ارتباط فاصله بین دو جسم به تصویر حاصل از AFM دست یافت. اگر سطح نمونه خیس باشد باید نیروی مویینگی مایع را نیز در نظر بگیریم.
AFM غیر تماسی: در برخی موارد برای جلوگیری از ایجاد تغییر در سطح و شکستن سوزن از AFM غیر تماسی استفاده میشود. در این حال فاصله بین نوک سوزن و سطح نمونه چند نانومتر میباشد. در این روش یک تیرک سخت با ثابت فنری در حدود 40 نیوتن بر متر با فرکانسی برابر با بسامد تشدید خود نوسان میکند. با نزدیک شدن سوزنک به سطح نمونه، نیروی جاذبه یا دافعه به سوزنک وارد شده و دامنه نوسان تیرک افزایش می یابد.

شکل 1-1 دستهبندی کلی روشها و آنالیز مواد
از روشهای شناسایی مواد، تحت عنوان آنالیز ریزساختاری آنالیز سطح و آنالیز حرارتی معرفی شدهاند. منظور از آنالیز یا شناسایی ریزساختاری، همان شناسایی میکروسکوپی است. در این حالت، شکل، اندازه و توزیع فازها بررسی میشود. باید توجه داشت که در ویژگیهای یک نمونه، نه تنها نوع فازها، بلکه شکل، اندازه و توزیع آنها نیز اثر گذار هستند. در اصل، سطح مواد جامد به خاطر ارتباط با محیط اطراف، وضعیت شیمیایی یکسانی با حجم نمونه ندارد. از طرف دیگر در بسیاری از کاربردها، سطح نمونه نقش مهمتری را بازی میکند. به عنوان مثال، در کاتالیزورها یا آسترهای ضد خوردگی، واکنش سطح با عوامل محیطی، تعیین کننده است. نکته قابل توجه دیگر، آن است که ترکیب شیمیایی در سطح با بدنه تفاوت دارد. بنابراین با تعیین آنالیز شیمیایی کل نمونه، نمیتوان در مورد آنالیز سطح قضاوت کرد آنالیز حرارتی در شناسایی فازی عمل می کنند این روشها، اطلاعات بسیار مفیدی از رفتار حرارتی مواد در اختیار پژوهشگران میگذارند. از این رو، نه تنها برای شناسایی آنها، بلکه در طراحیهای مهندسی نیز استفاده میشوند. و نیز به ویژه در رشته سرامیک کاربرد دارد و اهمیت آن به دلیل ساخت مواد جدید، روز افزون است.
1- 5 سوزنها
بسته به مد مورد استفادهی AFM و خاصیت مورد اندازهگیری از سوزنهای مختلفی استفاده میشود. زمانی که فرایند اندازهگیری مستلزم وارد کردن نیروهایی فوق العاده زیاد از جانب سوزن به سطح باشد از سوزنهای الماسی استفاده میشود. همچنین سوزنهای با روکشهای الماس گونه برای این منظور مورد استفاده قرار میگیرند. به عنوان مثال در ایجاد نانو خراشها با نیروهایی به بزرگی N سرو کار داریم (این در حالیست که در مد تماسی نیروی وارد بر سطح N میباشد) و باید از این نوع سوزنها استفاده کنیم. پارامترهای هندسی سوزن که نوع کارایی سوزن و میزان دقت نتایج بدست آمده را تعیین میکنند عبارتند از شکل، بلندی، نازکی (زاویه راس هرم فرضی منطبق بر نواحی نوک)، تیز ی (شعاع دایره فرضی منطبق بر نوک).

Widget not in any sidebars

شکل 1-2 انواع شکلهای سوزن شامل نوک تخت، نوک کروی، نوک T شکل و نوک تیز
سوزنهای T شکل برای نقشهبرداری و آشکارسازی فرورفتگیهای موجود در بخشهای دیواره مانند سطح نمونه به کار میروند. این در حالی است که سوزنهای نوک تیز این قابلیت را ندارند.
1-6 نحوه بر هم کنش سوزن با سطح
شکل 1-3 به طور نمادین بزرگی و تغییرات نیروی بین سوزن و سطح را در فواصل مختلف سوزن از سطح نشان میدهد. جهت فلشها نشان دهنده نزدیک شدن (رفت) یا دور شدن (برگشت) سوزن نسبت به سطح میباشد.

شکل 1-3سمت چپ: نمایش نمادین بزرگی تغییرات نیروی بین سوزن و سطح در فواصل مختلف سوزن از سطح سمت راست: انحراف تیرک حین رفت و برگشت در نواحی مختلف فاصله از سطح (نیروی جاذبه یا دافعه).
نکته:
باید حین فرآیند جاروب سطحی فاصله سوزن از سطح در محدوده مناسبی باقی بماند. چرا که از یک طرف فاصله زیاد (در این نواحی نیروی جاذبه است) موجب کم شدن میزان انحراف لرزانک و کاهش نسبت سیگنال به نویز در تعیین مولفه Z مکان سطح میشود. از طرف دیگر فاصله بسیار نزدیک موجب وارد شدن نیروی زیاد به سطح میشود که علاوه بر آسیب زدن به ساختار سطح و سوزن موجب کاهش درجه تفکیک خواهد شد.
1-7مدهای تماسی
مطابق تعریف به ناحیهای ” ناحیه تماس ” میگویند که نیروی بین سوزن و سطح دافعه باشد. در مقایسه با مدهای دیگر نیروی وارد شده به سطح در مدهای تماسی بزرگتر است. از طرفی به دلیل تماس پیوسته سوزن با سطح حین فرآیند روبش نیروهای اصطکاک قابل توجهی (علاوه بر نیروی عمودی) به سطح و سوزن وارد میشود که موجب آسیب دیدگی سطوح حساس و کند شدن سوزن میگردد.

شکل 1-4 مقایسه نمادین بین حالت تماسی و حالت غیرتماسی
بر این اساس مطالعه سطوح حساس و نرم با مدهای تماسی قدرت تفکیک اندازهگیری را کاهش میدهد و بعضاً باعث بروز خطای سیستماتیک در نتایج میشود. در عین حال بیشترین قدرت تفکیک و دقت اندازهگیری با AFM مربوط به بررسی سطوح سخت با سوزنهای نازک و فوق تیز و سخت در مد تماسی میباشد.
1-8 میکروسکوپ گمانهی روبشیSPM
میکروسکوپ گمانهی روبشی (SPM) مانند میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) در شناسایی مواد بسیار مهم است. در رابطههای آلی و غیر آلی بکار برده شده است (مرطوب وخشک). برای مثال در صنعت نیمه رساناها، SPM برای آزمایش روش پاک سازی مادهی نیمه هادی تک بلوری، در ثبت، پوشاندن پوشش نمونه، حک کردن، رسوب گذاری نمونه با برش عمودی سطح و شکست فیلمها بکار میرود. و نیز در کشف نقص (ترک)، تحلیل شکست و کاربردهای زیست مواد بکار میرود و نیز میتواند در تصاویر سه بعدی سطح توپوگرافی نمونه زیستی محلول یا گاز محیط در یک محدودهای معیین از دما محدود شده است باشد. بر خلاف میکروسکوپ الکترونی نمونهها نیاز به روکش آلائیده شده یا منجمد ندارند. تفکیک سطح جانبی در حد nm 1بدست آمده در نمونههای زیستی انجام میشود همانند مولکولهای DΝA. جذب سطحی سلولهای زنده مشاهده شده روی زیست موادها میتوانند مشاهده بشوند. SPM قادر است غشای زیر مایع نمونه را نشان داده و فعل و انفعالات بین غشای روی سطح را بررسی کند. افزون بر این به تفکیک بالای برش عمودی (مقطع عرضی) مورفولوژی سطح و نانوساختارها نیز میپردازد. SPM با محدودههای مُجازی از ویژگیهای مواد و ترکیب سطح نقشهبرداری شده در نمونههای ناهمگن کاربرد دارد [10-7].
1-8-1میکروسکوپهای پروبی- روبشی
این میکروسکوپها دارای یک پروپ شبیه سوزن برای روبش (جاروب کردن) سطح نمونه میباشد که بصورت نقطه به نقطه سطح نمونه را جاروب میکند و با اندازهگیری و پردازش سیگنالها توسط رایانه تصویر سه بعدی از سطح ایجاد میکند.
این میکروسکوپ نسبت به میکروسکوپهای الکترونی دارای مزایایی است که عبارتند از: بزرگنمایی بیشتر، قدرت تفکیک بالاتر، توانایی ایجاد تصویر سه بعدی، امکان جابجایی اتمها، عدم نیاز به خلاء.
اساس کار این نوع میکروسکوپها استفاده از مواد پیزوالکتریک است که با اعمال ولتاژ به بلورهای پیزوالکتریک طول آن تغییر میکند این تغییر طول متناسب با جهت و اندازه میباشد که توسط سوزنی که به یک نگهدارنده به نام کانتی لیور متصل است مشخص میشود (شکل 1-5). سوزن آن نقطه به نقطه سطح را جاروب میکند و پس از پردازش سیگنالها، نتایج روی نمایشگر نشان داده میشوند در این میکروسکوپ برای نمایش سه بعدی سطح از سه میله عمود بر هم در سه جهت استفاده میشود تا تصاویر سه بعدی تشکیل شوند. در میکروسکوپهای روبشی جدید به جای استفاده از سه سوزن عمود بر هم از یک استوانه تو خالی از جنس پیزوالکتریک استفاده میکنند که سطح داخلی با لایه نازکی از یک رسانای فلزی پوشیده میشود و با تغییر ولتاژ سوزن در سه جهت جابجا میشود.

شکل 4-8 نمایش تغییرات پروفایل دادههای تصاویر نانو ذرات مگهمایت در دماهای℃ 400، ℃ 500، ℃600 62

فهرست جدولها
جدول 1-1 طبقهبندی تجهیزات شناسایی بر مبنای خاصیت فیزیکی مورد اندازهگیری 6

فصل اول
طبقهبندی روشهای تعیین مشخصات مواد براساس نحوه عملکرد
طبقهبندی روشهای تعیین مشخصات مواد براساس نحوه عملکرد[4-1].
مقدمه:
پیشرفتهای اخیر در فناوری نانو مربوط به تواناییهای جدید در زمینه اندازهگیری و کنترل ساختارهای منفرد در مقیاس نانو میباشد.
در علوم مختلف مهندسی، موضوع اندازهگیری و تعیین مشخصات از اهمیت کلیدی برخوردار است به طوری که ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی مواد، به مواد اولیهی مورد استفاده و همچنین ریزساختار یا ساختار میکروسکوپی به دست آمده از فرایند ساخت بستگی دارد.
به عنوان مثال برای شناسایی مواد ، بدیهی است که نوع و مقدار ناخالصیها، شکل و توزیع اندازه ذرات، ساختار بلورین و مانند آن در ماهیت و مرغوبیت محصول اثر دارند.
در ضمن برای مطالعه ریزساختارها، نیاز بیشتری به ابزارهای شناسایی و آنالیز وجود دارد. در ریزساختار یا ساختار میکروسکوپی مواد، باید نوع فازها، شکل، اندازه، مقدار و توزیع آنها را بررسی کرد. در ادامه با توجه به اهمیت دستگاهها و روشهای اندازهگیری و تعیین مشخصات به طبقهبندی این روشها پرداخته میشود.
1-1 روشهای میکروسکوپی
با استفاده از روشهای میکروسکوپی تصاویری با بزرگنمایی بسیار بالا از ماده بدست میآید. قدرت تفکیک تصاویر میکروسکوپی با توجه به کمترین قدرت تمرکز اشعه محدود میشود. به عنوان مثال با استفاده از میکروسکوپهای نوری با قدرت تفکیکی در حدود 1 میکرومتر و با استفاده از میکروسکوپهای الکترونی، و یونی با قدرت تفکیک بالا در حدود یک آنگسترم قابل دسترسی است. این روشها شامل TEM، AFM ، SEM ، STM میباشد[6،5].
1-2 روشهای براساس پراش
پراش یکی از خصوصیات تابش الکترومغناطیسی میباشد که باعث میشود تابش الکترومغناطیس در حین عبور از یک روزنه و یا لبه منحرف شود. با کاهش ابعاد روزنه به سمت طول موج اشعه الکترومغناطیسی اثرات پراش اشعه بیشتر خواهد شد. با استفاده از پراش اشعه ایکس، الکترونها و یا نوترونها و اثر برخورد آنها با ماده میتوان ابعاد کریستالی مواد را اندازهگیری کرد. الکترونها و نوترونها نیز خواص موجی دارند که طول موج آن به انرژی آنها بستگی دارد. علاوه بر این هر کدام از این روشها خصوصیات متفاوتی دارند. مثلا عمق نفوذ این سه روش در ماده به ترتیب زیر میباشد. نوترون از اشعه ایکس بیشتر و اشعه ایکس از الکترون بیشتر میباشد.
1-3 روشهای طیف سنجی
استفاده از جذب، نشر و یا پراش امواج الکترومغناطیس توسط اتمها و یا مولکولها را طیف سنجی گویند. برخورد یک تابش با ماده میتواند منجر به تغییر جهت تابش و یا تغییر در سطوح انرژی اتمها و یا مولکولها شود، انتقال از تراز بالای انرژی به تراز پایینتر، نشر و انتقال از تراز پایین انرژی به تراز بالاتر، جذب نامیده میشود. تغییر جهت تابش در اثر برخورد با ماده نیز منجر به پراش تابش میشود.
طیف سنجی جرمی
روشهای طیف سنجی جرمی از تفاوت نسبت جرم به بار اتمها و یا مولکولها استفاده میکنند. عملکرد عمومی یک طیف سنجی جرمی بصورت زیر است:
1 – تولید یونهای گازی
2 – جداسازی یونها براساس نسبت جرم به بار
3 – اندازهگیری مقدار یونها با نسبت جرم به بار ثابت
1-4 روشهای جداسازی
در نمونههایی که حاوی چند جز نا شناخته باشد، ابتدا باید از هم جدا شده و سپس اجزا توسط روشهای آنالیز مشخص میشود. جداسازی براساس تفاوت در خصوصیات فیزیکی و شیمیایی صورت میگیرد. به عنوان مثال حالت ماده، چگالی و اندازه از خصوصیات فیزیکی مورد استفاده و حلالیت نقطه جوش و فشار بخار از خواص شیمیایی مورد استفاده در جداسازی میباشد.
جدول 1-1 طبقهبندی تجهیزات شناسایی بر مبنای خاصیت فیزیکی مورد اندازهگیری